книги / Твёрдотельная фотоэлектроника. Физические основы-1

Сравнение соотношения (2.9.1) с формулой для яркости В(и,Т) черного тела, приведенной в разделе 2.3, показывает, что яркость выходного зрачка оптической системы по отношению к изображению объекта фактически равна (с поправкой на пропускание оптики) яркости объекта.

Соотношение (2.9.1) показывает также, что, уменьшая размер оптического изображения, нельзя увеличить его яркость по отношению к яркости объек­ та, если изображение сформировано в той же среде, где находится объект. Для тепловых излучателей это означает, что с помощью оптической системы нельзя нагреть предмет в пространстве изображений до температуры выше темпера­ туры объекта.

В то же время установка перед фотоприемником оптической системы уве­ личивает освещенность его площадки в 7rD2/ 4b2 раз, то есть в отношение площадей входного зрачка объектива и фоточувствительной площадки.

Чувствительный элемент идеального теплового приемника, обменивающий­ ся радиационными потоками только с объектом измерения, в стационарных условиях принимает температуру объекта измерения. Условия идеальности теп­ лового приемника: отсутствие теплопроводящих мостов и зеркальная экрани­ ровка чувствительного элемента от всех объектов, кроме объекта измерения. При этом результат практически не зависит от того, будет ли в пределах поля зрения чувствительного элемента измеряемый объект с равномерным распре­ делением яркости или выходной зрачок оптической системы с хорошим про­ пусканием, собирающий на чувствительный элемент излучение от части этого объекта.

Если, как это часто бывает при наблюдении тепловизионной картины, кон­ трасты в изображении не велики, то распределение яркости выходного зрачка объектива в пределах его поля зрения оказывается практически однородным. Этим объясняется возможность измерения пороговых параметров инфракрас­ ных фотоприемников с ограниченной апертурой (согласованной по размерам с задним апертурным углом объектива, с которым их предполагается использо­ вать) на стандартных установках с абсолютно черным телом и модулятором. Такие установки имитируют фоновую нагрузку на фотоприемник в оптической аппаратуре и обеспечивает взаимную стыковку параметров.

2.9.3. Дифракционный предел разрешения. До сих пор при рассмотре­ нии оптических систем мы абстрагировались от волновой природы оптического излучения. Однако именно дифракция определяет теоретический предел раз­ решающей способности объектива.

В курсах оптики показывается, что если плоская волна падает на плоский экран с круглым отверстием радиуса а, то на втором экране, удаленном от первого на значительное расстояние b ( Ь » 7га2/А и 6 » ка2/ 2), наблюдается дифракционная картина Фраунгофера, являющаяся двумерным Фурье-образом экрана с отверстием, на котором происходит дифракция. Распределение интен­ сивности в дифракционной картине оказывается аксиально симметричным и

Частотная зависимость коэффициента преломления материала линзы обу­ словливает искажение изображения при работе с немонохроматическими пуч­ ками — к продольной и поперечной хроматической аберрации. В первом слу­ чае положение фокальной точки зависит от длины волны излучения (да>ке параксиальный пучок немонохроматического света создает кружок рассеяния, образованный — для видимого излучения — цветными кружками). Во втором случае наблюдается изменение размера изображения в зависимости от длины волны (или цветная кайма на изображении предметов).

Причиной геометрических аберраций также являются не погрешности в изготовлении оптики, а использование оптических систем в условиях больших относительных отверстий и полей зрения (нарушение условия параксиальности лучей). Существующая теория предсказывает появление пяти типов монохрома­ тических аберраций, обусловленных членами третьего порядка при разложении в ряд проекций изображения по осям координат (если требуется чрезвычайно высокая точность проектирования оптической системы, учитывают дополни­ тельно и члены пятого порядка):

сферическая аберрация — лучи, выходящие из одной точки (расположен­ ной в том числе и на оси оптической системы) и проходящие через оптическую систему на различных расстояниях от оси, не собираются вновь в одной точке. Краевые лучи собираются ближе к линзе, а светящаяся точка изображается в виде кружка рассеяния: размер кружка рассеяния rsj {D /F 'f-

кома — изображение точки, расположенной не на оси оптической системы, получается в виде пятна, не обладающего круговой симметрией и напоминаю­ щего комету: размер кружка рассеяния ~ (D /F 1)2 /3, где (3 — угол поля зрения; астигматизм — изображение точки, расположенной не на оси оптической системы, представляет собой две взаимно-перпендикулярные линии, находя­ щиеся на разных расстояниях от линзы; наименьший кружок рассеяния лежит

кривлением поверхности лучшей фокусировки при астигматизме, при этом поверхность изображения обращена выпуклой частью в сторону от линзы. Оптическая система может не иметь астигматизма, но обладает кривизной поля: размер кружка рассеяния пропорционален (D/F')(32;

дисторсия — прямые линии, не проходящие через центр поля зрения, изоб­ ражаются кривыми. Различают подушкообразную (изображение к краям поля зрения вытягивается) и бочкообразную дисторсию. Дисторсия, в отличие от ра­ нее перечисленных аберраций, не размывает изображения, а только изменяет положение его точек, нарушая закон подобия. Дисторсия пропорциональна /З3

Очевидно, что зеркальные оптические системы не имеют хроматических аберраций. Тонкие линзы, у которых диафрагмой является их край, и сфери­ ческие зеркала не имеют дисторсии.

Все виды аберраций невозможно одновременно устранить в одиночной лин­ зе. Чем выше требования к качеству изображения, тем большее число элемен­ тов приходится применять в оптической системе.

Продольные хроматические аберрации в линзовых системах исправляют, комбинируя линзы таким образом, чтобы дисперсия одной компенсировалась хотя бы на двух длинах волн дисперсией другой (пример — ахроматический дуплет из кремния и германия для спектрального диапазона 84-11 мкм). Для более сильной коррекции необходимы по крайней мере три элемента (апохро­ мат). Гораздо труднее добиться ахроматизации увеличения.

Для исправления сферической аберрации применяют специально рассчи­ танные комбинации линз. В простейшем случае это две линзы: одна с положи­ тельной, другая с отрицательной сферической аберрацией.

Кома в сложных оптических системах исправляется обычно совместно со сферической аберрацией подбором линз (апланаты).

Комбинируя несколько линз с различной кривизной поверхности можно до­ биться уничтожения астигматизма, кривизны поверхности и дисторсии. Объ­ ективы, исправленные в отношении астигматизма и кривизны поля называются анастигматами.

В зеркально-линзовых системах сферическая аберрация, кома и астигма­ тизм могут быть устранены подбором места корректирующей линзы и выбором ее кривизны и оптической силы.

Использование асферических преломляющих поверхностей также позволяет эффективно уменьшать аберрацию.

Целью проектирования и расчета оптических систем и является создание такой оптики, общий кружок рассеяния которой, обусловленный всеми аберра­ циями, был бы близок к дифракционному ограничению и размерам фоточувствительного элемента.

2.9.5. Сканирующие и смотрящие оптические системы [23]. Напомним, что мгновенным полем зрения оптической системы называют угол с верши­ ной в центре входного отверстия оптической системы, в пределах которого объект наблюдения (цель) обнаруживается системой при отсутствии оптико­ механического сканирования (поворота или перемещения всей оптической си­ стемы или любого из ее узлов).

Обзор всего поля излучения (поля обзора системы) осуществляется опти­ ческой системой либо путем одновременной регистрации потоков излучения, исходящих от каждого элемента поля обзора (несканирующие или «смотря­ щие» оптические системы, в которых мгновенное поле зрения равно полю об­ зора), либо путем последовательной регистрации этих потоков за счет оптико­ механической развертки (сканирования) мгновенным полем зрения.

Несканирующие оптические системы делятся на энергетические (обычно с одним фотоприемником) и создающие изображение.

Сканирующие системы обзора делятся на приборы с узким мгновенным полем зрения и с растровым анализатором. Системы с узким мгновенным по­ лем зрения в свою очередь делятся на системы, в которых сканирование пс^я излучения осуществляется в пространстве предметов, и системы со сканирова­ нием в пространстве изображений. В последних фоточувствительный элемент (элементы) перекрывает (перекрывают) только часть площади изображения.

Обзор пространства в системах с узким полем осуществляется посредством вращения или качания зеркал, призм или объективов, а также движения диа­ фрагм и щелей. После просмотра всех точек поля обзора движение повторяется.

так, что параметры модулированного сигнала (амплитуда, частота, фаза, дли­ тельность импульса и т. д.) зависят от положения и размеров источников из­ лучения. Таким образом растр преобразует пространственное распределение излучения в функцию времени (осуществляет модуляцию), выделяет излуче­ ние объекта из излучения фона (селекция) и вносит в сигнал закодированную информацию о положении цели в поле зрения (выполняет функцию координа­ тора).

В инфракрасных системах растр обычно охлаждается для уменьшения его собственного теплового излучения, попадающего на фотоприемник. Однако время для наблюдения за каждым мгновенным полем зрения в растровых си­ стемах также меньше, чем в несканирующих «смотрящих» системах.

В качестве приемников излучения в смотрящих системах используют­ ся фоточувствительные пленки (фотоаппараты, кинокамеры), глаз (бинокли), оптико-электронные преобразователи (приборы ночного видения) или матрич­ ные преобразователи сигналов изображения с электронной разверткой — види-

коны, ПЗС, МДП, ИК матрицы (телевизионные передающие камеры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, матричные тепловизоры и др.).

Отметим принципиальную разницу между оптико-механическим и элек­ тронным сканированием. Если при оптико-механическом сканировании часть излучения и информации теряется, то в современных матричных преобразо­ вателях сигналов изображения удается осуществить накопление фотоответа в пикселах за время, близкое к времени кадра, и указанные потери уменьшаются или практически исключаются.

В качестве примера на рис. 2.9.5 приведены схемы современных широко­ польных линзовых объективов из германия фирмы DIOP (США) для спек­ трального диапазона 8-=-12 мкм, имеющих относительное отверстие 1:0,8 и 1:1. Объективы предназначены для использования в смотрящем режиме с неохлаждаемыми матричными микроболометрами (диаметр описанной окружности до 20 мм). В объективах использованы линзы с асферическими поверхностями, а интегральное пропускание не ниже 94% В объективе (а) с полным угловым полем 35,5° на пространственной частоте 10 линий/мм спад пространственно­ частотной характеристики для углового поля 28° не превышает 0,4. Размеры этого объектива с пластмассовой оправой 50 х 63 мм, масса не превышает 52 г.

ет влияние неодинаковой чувствительности фотослоя по его поверхности. Конструктивно конденсор выполняют в виде одной или нескольких линз (рис. 2.9.7а) или в виде световой ловушки, представляющей собой, например, стеклянный цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью специальной фор­

мы (рис. 2.9.76).

Применяют также иммерсионные конденсоры, после которых лучи попа­ дают на приемник через слой клея с показателем преломления п > 1, минуя воздушный промежуток (рис. 2.9.7в). В качестве материала для иммерсионных светодовушек и линз используют германий (п = 4), титанат стронция (п = 2,2) и другие с высоким показателем преломления.

Использование конденсора для собирания излучения на меньшую фоточувствительную площадку приводит в соответствии с инвариантом Лагранжа-Гельмгольца к ограничению поля зрения фотоприемника. Это лег­ ко представить для полой зеркальной светоловушки. Предположим, что с помощью такой ловушки с отношением большего диаметра ее отверстия к мень­ шему равным тп соединены между собой два абсолютно черных тела с одинако­ вой температурой. Очевидно, что в тер­ модинамическом равновесии потоки из­ лучения от абсолютно черных тел в обе­ их направлениях одинаковы. При этом светоловушка не препятствует выходу излучения из абсолютно черного тела с меньшим отверстием. Это означает, что в обратном направлении через нее про­ ходит излучение от абсолютно черно­ го тела с большим отверстием только в пределах ограниченного плоского уг­

ла FOV (field of view):

сле нескольких отражений от стенок ловушки возвращаются обратно. Полу­ сферическая линза с показателем преломления щ увеличивает эффективную фоточувствительную площадку в nf раз. Тогда при наличии воздушного зазора между линзой и площадкой эффективный угол поля зрения фотоприемника

Если же линза приклеена к фоточувствительной площадке клеем с показа­ телем преломления пг (рис. 2.9.7в), то эффективный угол такой иммерсионной системы увеличивается

Таким образом, использование иммерсии в фотоприемниках позволяет по­ лучить большую эффективную фоточувствительную площадку при малой пло­ щади чувствительного элемента. Следовательно, уменьшается электрическая емкость и улучшается частотная характеристика. Кроме того, повышается тем­ пература выхода инфракрасных фотоприемников на режим ограничения фоном и появляется возможность создания многоэлементных структур без зазоров.

Г Л А В А 3

ПОЛУПРОВОДНИКИ

Полупроводники — важнейшие материалы для твердотельной фотоэлектрони­ ки. В большей части фотоприемных устройств применяются фоточувствительные элементы из различных полупроводниковых материалов, которые и опре­ деляют диапазон спектральной чуствительности, и практически во всех — электронная обработка фотосигналов осуществляется с помощью интеграль­ ных микросхем из кремния. Окна, оптические фильтры, иммерсионные лин­ зы часто изготавливаются из полупроводниковых кристаллов. Наконец, термо­ электрические охладители и стабилизаторы температуры также представляют собой полупроводниковые изделия.

Формально полупроводники выделяют из других веществ по значению их удельного сопротивления. Обычно считается, что полупроводники имеют удельное сопротивление в диапазоне Ю_4 ч-1010 Ом-см, металлы — в диапа­ зоне менее 10~4 Ом-см, а диэлектрики — более Ю10 Ом-см.

Однако основное различие между этими материалами заключается в струк­ туре их энергетических зон и заполнении этих зон валентными электронами. Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами, в ко­ торых электроны заполняют только часть разрешенной энергетической зоны и свободно перемещаются при приложении электрического поля, и диэлектри­ ками с энергетическим зазором между полностью заполненной электронами и пустой разрешенной зонами порядка и более 10 эВ.

Отличительная особенность полупроводников, выделяющая их в отдельный класс материалов, определяется возможностью управляемо изменять при леги­ ровании не только концентрацию носителей тока в очень широком диапазоне, но и тип электропроводности. Это и предопределило преимущественное ис­ пользование полупроводников как для усиления и обработки электрических сигналов, так и для генерации и приема оптического излучения.

Разработки совершенных гетеропереходов между полупроводниками с раз­ личной шириной запрещенной зоны и квантоворазмерных структур привели к появлению принципиально новых оптоэлектронных изделий и качественному улучшению параметров существующих приборов.

3.1. Кристаллическая структура полупроводников и ее дефекты

Атомы классических полупроводников — элементов 4-й группы периодической системы Д. И. Менделеева кремния и германия — имеют в валентных обо­ лочках соответственно по два s и р электрона. Так как заполненные оболочки атомов спиновонасыщенны, то при образовании монокристалла эти электроны вступают в обменное взаимодействие с такими же электронами соседних ато­ мов и образуют четыре насыщенные ковалентные химические связи, каждая нз которых включает по два электрона с противоположными спинами. Перекры­ тие волновых функций электронов в такой паре обеспечивает энергетический выигрыш, необходимый для образования кристалла.

Если представить ядро атома кремния или германия в центре тетраэдра, то направления валентных связей совпадают с направлениями к его верши­ нам. Каждая вершина тетраэдра, представляющего собой элементарную ячей­ ку кристалла, занята соседним атомом кремния или германия. В результате кристаллические решетки Si и Ge оказываются аналогичными решетке алмаза. Расстояние между смежными атомами обычно 0,2 4-0,3 нм.

В полупроводниковых соединениях типа А3В5 и А2В6 химическая связь

ки (сфалерита). Решетки алмаза и цинковой обманки можно представить как две кубические гранецентрированные решет­ ки, сдвинутые друг относительно друга на 1/4 объемной диагонали элемен­ тарной ячейки. При этом, в отличие от кремния и германия, в решетке цин­ ковой обманки каждая подрешетка составлена из атомов одного из элементов (рис. 3.1.1). Соответственно в центре правильного тетраэдра расположен атом одного из элементов, а во всех его вершинах — другого.